Computational two-dimensional streak imaging for ultrafast diagnostics and early cancer detection.

Lai, Yingming (2025). Computational two-dimensional streak imaging for ultrafast diagnostics and early cancer detection. Thèse. Québec, Doctorat en sciences des télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 166 p.

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Résumé

Les techniques d’imagerie streak sont largement utilisées pour l’étude des événements dynamiques, offrant une résolution temporelle ultrarapide. Cependant, les caméras streak conventionnelles sont intrinsèquement limitées à un champ de vision (FOV) unidimensionnel, restreignant ainsi leur capacité à capturer des phénomènes transitoires complexes. Dans cette dissertation, nous introduisons trois méthodes computationnelles—la photographie ultrarapide compressée (CUP), l’imagerie tomographique ultrarapide compressée (CUTI) et la dermoscopie basée sur la thermométrie par imagerie de durée de vie en photoluminescence (DePLIT)—qui étendent l’imagerie streak à un FOV bidimensionnel (2D). Plus précisément, CUP et CUTI intègrent le codage comprimé (CS) pour obtenir une imagerie ultrarapide. DePLIT exploite un ajustement de courbe pour récupérer la durée de vie et les températures correspondantes. Leurs applications sont démontrées dans le diagnostic ultrarapide d’enregistrements de phénomènes transitoires et la détection de micro-mélanome à un stade précoce.

CUP intègre l’imagerie par ouverture codée aux caméras streak pour réaliser une photographie streak 2D en une seule exposition. Les modalités CUP existantes utilisent un modèle analytique de détection pour guider la conception des systèmes CUP, combinant généralement une ouverture codée binaire aléatoire pour l'encodage et un cisaillement temporel linéaire. La première est universellement applicable à la plupart des scènes mais conduit à une qualité de reconstruction limitée. L’opération de cisaillement idéale néglige toute déviation induite par d’éventuelles imperfections expérimentales. Pour surmonter ces limitations, nous avons développé D-HAN, qui assure une supervision adaptative dans la conception du système CUP, en détectant l'opérateur réel de cisaillement temporel et en reconstruisant la scène dynamique avec des performances améliorées.

CUTI intègre la tomographie computationnelle (CT) aux caméras streak standard pour obtenir une imagerie streak 2D par projections passives. Bien que les techniques conventionnelles d’imagerie streak 2D présentent de nombreuses spécifications avancées et aient été appliquées à diverses applications, elles nécessitent généralement un grand nombre de mesures ou l'ajout de composants personnalisés (par ex., le masque utilisé dans le système CUP) qui compromettent la résolution spatiale et temporelle. Afin de proposer une méthode applicable aux caméras streak standard (sans masque), nous avons développé CUTI, qui intègre la tomographie par vision synthétique (SV-CT) à l’imagerie streak. Se présentant comme une méthode universelle, CUTI a été démontré pour convertir une caméra streak par image, une caméra streak à miroir rotatif et un microscope électronique en transmission dynamique pour le diagnostic ultrarapide.

DePLIT exploite la matrice de points UCNP créée par un réseau de micro-aiguilles (MN) 2D pour obtenir une imagerie streak 2D basée sur la photographie computationnelle par échantillonnage. La photoluminescence induite (PLI) est une nanotechnologie émergente pour la détection à haute résolution spatiale. En particulier pour les nanoparticules à conversion ascendante (UCNPs), la méthode basée sur la PLI permet une détection thermique ultra-sensible. Le réseau de micro-aiguilles, en tant qu’outil avancé d’administration de médicaments, peut délivrer des nanoparticules dopées aux terres rares dans la peau avec un contrôle précis de la dose et du site d’injection. Nous avons exploité la matrice de points UCNP formée par le réseau de micro-aiguilles comme un motif d’échantillonnage actif, enregistré les décroissances de photoluminescence, mesuré les cartes de durée de vie et ainsi reconstruit les distributions de température. DePLIT a été appliqué au diagnostic précis du micro-mélanome à un stade précoce en surveillant la récupération thermique des lésions après un stimulus de refroidissement.


Streak imaging techniques are widely employed for investigating dynamic events, offering ultrafast temporal resolution down to hundreds of femtoseconds. However, conventional streak cameras are inherently limited to a one-dimensional field of view (FOV), restricting their ability to capture complex transient phenomena. In this dissertation, we introduce three computational methods—compressed ultrafast photography (CUP), compressed ultrafast tomographic imaging (CUTI), and dermoscopy based on photoluminescence lifetime imaging thermometry (DePLIT)—that extend streak imaging to two-dimensional (2D) FOV. Specifically, CUP and CUTI integrate compressed sensing to achieve ultrafast imaging. DePLIT integrates curve fitting to recover lifetime and corresponding temperatures. Their applications are demonstrated in ultrafast diagnostics of recording transient phenomena and detecting micro-melanoma in the early stage.

CUP integrates coded-aperture imaging into streak cameras to achieve 2D streak photography in a single exposure. Existing CUP modalities use analytical sensing models to guide the design of CUP systems. Typically, random binary coded aperture for encoding and linear behavior for temporal shearing. The former is universally applicable to most scenes but results in a limited reconstruction quality. The ideal shearing operation neglects any deviation induced by possible experimental imperfections. To overcome these limitations, we have developed D-HAN to provide adaptive supervision of designing the CUP system, sensing the actual temporal shearing operator, and recovering the dynamic scene with superior performance.

CUTI grafts computed tomography into standard streak cameras to achieve 2D streak imaging by passive projections. Despite the conventional 2D streak imaging techniques exhibiting many advanced specifications and having been applied to various applications, they either require a large number of measurements or implement additional customized components (e.g., the mask used in the CUP system) that trade off spatial resolution and temporal resolution. To provide a method that is capable of standard streak cameras (e.g., mask-free method), we have developed CUTI that grafts sparse-view computed tomography into streak imaging. Exhibits as a universal method, CUTI has been demonstrated on an image-converter streak camera, a rotating-mirror streak camera, and a dynamic transmission electron microscope for ultrafast diagnostics.

DePLIT utilizes the upconverting nanoparticle (UCNP)-spot matrix created by a 2D microneedle (MN) array to achieve 2D streak imaging based on computational sampling photography. Photoluminescence lifetime imaging (PLI) is an emerging nanotechnology for high-spatial-resolution sensing. Particularly for rare-earth-doped UCNPs, the PLI-based method can achieve high-sensitivity temperature sensing. MN array, as an advanced medicine delivery tool, can deliver UCNPs into the skin with precise dose and injection site controls. We have leveraged the UCNP-spot matrix formed by the MN array as an active sampling pattern, recorded the photoluminescence decays, measured the lifetime maps, and thereby obtained the temperature distributions. DePLIT has been applied to accurately diagnose micro-melanoma in the early stage by monitoring the thermal recovery of the lesions post a cooling stimulus.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Liang, Jinyang
Mots-clés libres:	Imagerie streak ; imagerie computationnelle ; codage comprimé ; imagerie ultrarapide ; réseau de neurones convolutionnels ; imagerie tomographique ; microscope électronique en transmission ; imagerie par échantillonnage ; imagerie de durée de vie en photoluminescence ; nanothermomètre ; détection du micro-mélanome ; Streak imaging ; computational imaging ; compressed sensing ; ultrafast imaging ; convolutional neural network ; tomographic imaging ; transmission electron microscope ; sampling image ; photoluminescence lifetime imaging ; nanothermometer ; micro-melanoma detection.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	27 août 2025 17:46
Dernière modification:	27 août 2025 17:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16614

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